Im Folgenden werden neue Versuchsideen vorgestellt, die erprobt und gut dokumentiert sind. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an die angegebenen Adressen.

• Abriebfreie Wirbelstrombremse (Universität Bremen)
• Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit mit einer Wärmebildkamera (Universität Mannheim)
• Chaotischer Drehschwinger (Universität Greifswald)
• Diffusionsnebelkammer (BTU Cottbus-Senftenberg)
• DMS-Spannungswaage zur Messung von Kraft und Arbeit im elektrischen Feld (Universität Bremen)
• Ein alternatives Gasgesetz (Eigenentwicklung, K. Salewski)
• Ein Stickstofflaser zum Selberbauen (Seminar für Ausbildung und Fortbildung der Lehrkräfte Stuttgart)
• EKG - Elektrokardiografie mit der Soundkarte (TU Chemnitz, Fortgeschrittenenpraktikum)
• Faraday-Rotation und spezifische Elektronenladung (Universität Bremen)
• Farbaddition und -subtraktion mittels Farbschatten (Simon-Marius Gymnasium Gunzenhausen)
• Fluoreszenzabklingen eines metastabilen Laserniveaus und Rubin-Spektroskopie (Ilja Rückmann, Robert Arndt)
• Interferenzeffekte am 3D Modell selbständig entdecken (Universität Luxemburg)
• Jod Spektroskopie und Jod Moleküllaser (Leibniz Universität Hannover)
• Optische Bestimmung der Taupunkttemperatur (Universität Bremen)
• Optische Geräte und deren Physik (Philipps-Universität Marburg)
• Optische Versuche mit dem Fundamental-Optical-Trainer (Lehrmittelkommission)
• Polytropenexponenten von 1-, 2- oder mehr-atomigen Gasen mittels „Kappa-Schaukel“ (Universität Bremen)
• Selektive Reflexion (Simon-Marius Gymnasium Gunzenhausen) 
• Wasserturbine und Windrad (Kepler-Seminar Stuttgart)

Mit Hilfe eines Biegebalkens an dem vier Dehnmessstreifen, von denen zwei auf der Unterseite und zwei auf der Oberseite angebracht sind, und einer Vollbrückenschaltung wird eine elektrische Waage aufgebaut.

Ein Schwerpunkt des Versuchs ist der Aufbau der Waage mit Vollbrücke, die mit zusätzlichen Potentiometern sehr empfindlich abgeglichen werden soll.

Die Waage wird benutzt, um die Coulombkraft zwischen Kondensatorplatten in Abhängigkeit von der angelegten Hochspannung und in Abhängigkeit vom Plattenabstand zu vermessen.

https://www.uni-bremen.de/physika/

 

 

Drehbar gelagerte Scheiben aus verschiedenen Materialien (Kupfer, Alu, Stahl, Messing) werden über ein Seil mit einem ablaufenden Gewicht beschleunigt. Die Scheiben befinden sich z.T. zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten, so dass dort in den Scheiben Wirbelströme erzeugt werden, deren Magnetfeld mit dem äußeren Magnetfeld wechselwirkt, so dass die Scheibenbewegung abgebremst wird. Die sich nach kurzer Zeit einstellende gleichförmige Drehbewegung der Scheiben lässt sich gut messen und gestattet die Berechnung der Leitfähigkeiten des entsprechenden Scheibenmaterials.

https://www.uni-bremen.de/physika/

In diesem Versuch wird zuerst mit der Brennpunktgleichung der Zusammenhang zwischen den physikalischen Größen Brechkraft, Brennweite, Gegenstandsweite und der Bildweite am Beispiel des Fotoapparates und des Bildprojektors untersucht.
Mit der Materialgleichung für dünne Linsen wird gezeigt, dass das menschliche Auge durch die Veränderung seiner Radien die Brennweite verändert, so dass auf der Netzhaut ein scharfes Bild entsteht.
Diese Gleichung bildet den Zusammenhang zwischen der physikalischen Grundlage und der biologischen Anwendung, dem menschlichen Auge, bei dem die Brennweite durch die Variation des Radius verändert wird. Danach wird auf Linsensysteme mit zwei Linsen übergegangen und dabei werden experimentell die Wirkungsweisen von Brillen und Variooptiken untersucht. 

Im nächsten Versuchsteil werden reelle Bilder weiterverarbeitet. So werden die physikalischen Wirkungsweisen des Keplerschen und des terrestrischen Fernrohres sowie des Mikroskops dargestellt.

Ein gefalteter Strahlengang aus Lampe, Linse, Peltier-gekühltem Spiegel und Detektor muss aufgebaut und optimiert werden, so dass bei beschlagenem Spiegel (Test durch Anhauchen) eine signifikant geringere Intensität registriert wird. Ein auf dem Spiegel befindlicher Temperaturfühler (PT 1000) und der Detektor (Solarzelle) müssen an AD-Wandler angeschlossen und kalibriert werden.

Zusätzlich muss das Peltierelement in Betrieb genommen werden. Die Spiegeltemperatur und die Lichtintensität werden beim Abkühlen des Spiegels aufgezeichnet, so dass die Taupunkttemperatur und daraus die Luftfeuchte bestimmt werden können. Bei diesem thermodynamischen Versuch müssen zusätzlich Kenntnisse aus Optik, Elektrik und Messwerterfassung angewendet und vernetzt werden. Die Messung geht schnell, Aufbau und Justierung erfordern die meiste Zeit. Handwerkliche Fähigkeiten und experimentelles Geschick werden erlernt.

Spiegel mit Peltier-Element

Kontakt:
Physikalische Praktika der Universität Bremen
Fachbereich 1
Otto-Hahn-Allee 1
28359 Bremen
Tel.: 0421 / 21 86 27 29
https://www.uni-bremen.de/physika/

Die Messung des Adiabatenkoeffizienten nach Clement-Desormes mit 10l-Weinballon, Gummihandpumpe und Quecksilberbarometer ist äußerst mühsam. Der Polytropenkoeffizient kann effektiver und zeitgemäßer mit einer Luftfeder bestimmt werden. Verwendet wird die vom Bremer Praktikumsteam erstmals entwickelte, inzwischen vielerorts nachgenutzte Anordnung, bestehend aus einer 500 ml-Glasspritze. Diese wirkt als Gasfeder, wenn der Kolbenstempel kurz angeschlagen und das Gas adiabatisch komprimiert wird. Der mit einem Nd-Magneten versehene Kolben und die außen am Zylinder angeordnete verschiebbare Spule gestatten die Aufzeichnung der gedämpften Schwingung bei verschiedenen Füllvolumina mittels Speicheroszilloskop. Aus der Periodendauer ergibt sich recht genau der Polytropenkoeffizient des verwendeten ein-, zwei- oder mehratomigen Gases.  Der Gasaustausch ist wenig aufwändig, so reicht ein mit z.B. Argon gefüllter Luftballon für fünf Experimentierplätze aus.

Bei diesem thermodynamischen Versuch müssen Kenntnisse aus verschiedenen Gebieten verknüpft und verschiedene Messtechniken angewendet werden. 

Kontakt:

Dieses Experiment wurde im Rahmen eines Projekts der Lehrmittelkommission, der DPG und der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung an verschiedenen Einrichtungen (Hochschulen und Schülerlabore) evaluiert und optimiert (siehe [1]).

Das Experiment beweist, dass die Elektronen für die optischen Eigenschaften, hier die von Glas, verantwortlich sind. Die Zeeman-Aufspaltung einer Resonanzlinie eines dielektrischen Mediums im axialen Magnetfeld führt auch im transparenten Bereich weitab von der Resonanz zu unterschiedlichen Brechungsindizes für links- und rechtszirkular polarisiertes Licht. Diese magnetfeldinduzierte Doppelbrechung resultiert in einer Drehung der Polarisationsebene von polarisiertem Licht und ist bekannt als Faraday-Rotation. Die kleinen Drehwinkel werden im Versuch bei verschiedenen Wellenlängen mittels eines Modulationsverfahrens sehr genau gemessen, wobei als Lichtquellen LEDs verwendet werden. Aus den Abhängigkeiten der Verdet-Konstanten von Flussdichte und Wellenlänge können effektive Oszillatormasse und die Dichte der Dispersionselektronen, die für die optischen Eigenschaften verantwortlich sind, bestimmt werden. Der Versuch wurde für Physikpraktika entwickelt, ist aber in reduzierter Form auch für Schülerlabore und Leistungskurse geeignet. Zusätzlich kann sehr eindrucksvoll die Informationsübertragung (z.B. Musik) über einen Laserstrahl durch Polarisationsmodulation gezeigt werden.

Baukasten

Der Versuch ist (1) als Baukasten konzipiert und enthält nur die für die Faraday-Rotation notwendigen Zusatzteile und ist aber (2) auch als Komplettversuch verfügbar. Die Variante (1) kann zeitweise ausgeliehen werden.

Kontakt:
Physikalische Praktika der Universität Bremen
Fachbereich 1
Otto-Hahn-Allee 1
28359 Bremen
Tel.: 0421 / 21 86 27 29

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[1]	I. Rückmann und P. Schaller, „Neuen Experimenten auf der Spur,“ Physik Journal, pp. 31-34, 06 2019.

 

Die gesamte Experimentierphase läuft im abgedunkelten Unterrichtsraum ab. Als Lichtquellen werden zwei verschiedenfarbig (rot und grün) leuchtende LCD-Farbdisplays eingesetzt. Zusätzlich wird ein undurchsichtiger Körper (Metall-Schraube, Kreidestück etc.) verwendet, der von diesen Lichtquellen beleuchtet wird. Die LCD-Displays werden so positioniert, dass sie den undurchsichtigen Körper aus unterschiedlichen Winkeln beleuchten. Zunächst wird der Körper nur jeweils von einem der Displays angestrahlt und die Beobachtung („schwarzer“ Schatten hinter dem Körper) notiert. Anschließend werden beide Displays eingeschaltet und sowohl dem Überlappungsbereich der beiden Lichtquellen (Mischfarbe gelb) als auch den entstehenden Halb- und Kernschattenbereichen („schwarzer Kernschatten“, ein „dunkelroter“ und ein „dunkelgrüner“ Halbschatten) besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Alle beobachteten Phänomene werden in geeigneter Weise protokolliert.

Die Erklärung wird mit den Lernenden erarbeitet. Als Unterstützung kann hierbei eine GeoGebra-Datei dienen, mit deren Hilfe das Experiment in der Simulation nachempfunden werden kann. Hierbei wird auf das vor dem Experiment im Unterricht vermittelte Wissen zu additiver Farbmischung (vertieft im Informatikunterricht an Hand RGB-Farbschema) sowie dem Phänomen Halb- und Kernschatten (auch verankert im Zusammenhang mit Sonnen- und Mondfinsternissen) zurückgegriffen.

Kontakt:

Dr.-Ing. Ulrich Kiesmüller
Simon-Marius-Gymnasium Gunzenhausen
Simon-Marius-Straße 3
91710 Gunzenhausen

www.simon-marius-gymnasium.de

Zusatzmaterialien (im PDF als Anhang schon enthalten):

• Vorschlag für den Hefteintrag
• Geogebra-Datei 

In den Boden einer leeren Pappschachtel schneidet man ein rechteckiges Loch mit vorgegebenen Abmessungen (Länge und Breite des LCD-Displays). Außerdem wird in eine der kleinen Begrenzungsseiten ein Beobachtungsloch gebohrt. Anschließend werden Legosteine in verschiedenen Farben (einzeln oder zusammengesteckt) in die Schachtel gelegt. Der Deckel wird geschlossen und die Schachtel auf diesen gestellt. So wird am besten das Eindringen von Streulicht verhindert. Anschließend wird ein Arduino-LCD-Display bündig in die ausgeschnittene Öffnung gesteckt. Auf den Arduinos befindet sich ein (vorher im Informatikunterricht programmiertes) Programm, welches das LCD-Display im ständigen Wechsel in verschiedenen Farben leuchten lässt. Damit werden im Innenraum der Schachtel die verschiedenfarbigen Legosteinen mit wechselnden Farben beleuchtet. Man beobachtet die Legosteine durch das Beobachtungsloch der Schachtel und achtet hierbei auf die wahrzunehmenden Farben der Legosteine. Die Farbeindrücke je nach Farbe des beobachteten Legosteins und des eingestrahlten Lichts werden in eine Beobachtungstabelle eingetragen.

Besonders interessant sind hierbei die Beobachtungen von gelben Steinen bei blauer Beleuchtung, blauen Steinen mit gelber Beleuchtung, roten Steinen mit grüner Beleuchtung und grünen Steinen bei roter Beleuchtung (Komplementärfarben).

Die Erklärung (selektive Reflexion) wird mit den Lernenden erarbeitet. Hierbei wird auf das vor dem Experiment im Unterricht vermittelte Wissen zu additiver Farbmischung (vertieft im Informatikunterricht an Hand RGB-Farbschema) und dem Reflexionsgesetz der Strahlenoptik zurückgegriffen.

Innovativ ist insbesondere der enge Fächerübergriff Physik-Informatik (z. B. Bayern: Natur und Technik 7) sowie das selbstständige Experimentieren im kompletten Klassenverband durch junge Lernende (7. Jahrgangsstufe). Hilfsmittel für physikalische Experimente werden im Informatikunterricht vorbereitet und dann in Physikstunden eingesetzt.

Kontakt:

Dr.-Ing. Ulrich Kiesmüller
Simon-Marius-Gymnasium Gunzenhausen
Simon-Marius-Straße 3
91710 Gunzenhausen

www.simon-marius-gymnasium.de

Der Versuch dient der Veranschaulichung einer Vielzahl von Bewegungsphänomenen nichtlinearer dissipativer Systeme, wie zum Beispiel die Existenz von periodischen und chaotischen Attraktoren sowie periodenverdoppelnde Bifurkationen auf dem Weg (im Parameterraum) zum Chaos. Quantitative Messungen beziehen sich vor allem auf die Systemidentifikation (Parameterbestimmung). Der zentrale Teil des Versuchsaufbaus besteht aus einem Stabmagneten mit dem magnetischen Dipolmoment m und dem Trägheitsmoment J. Er ist im Zentrum einer Helmholtz-Spule drehbar gelagert. Durch diese wird ein harmonisch veränderlicher elektrischer Strom (mit Gleichanteil) geleitet, wodurch am Ort des Magneten eine entsprechend veränderliche magnetische Flussdichte vom Betrag B(t) = B₀ + B₁ cos ωt entsteht und schließlich der Magnet zu Drehschwingungen (parametrisch) angeregt werden kann. Die nichtlineare Bewegungsgleichung für den Auslenkwinkel x lautet,

Jẍ = -mB(t) sin x + rẋ

Das reibende (dämpfende) Drehmoment  wird durch eine Wirbelstrombremse realisiert. Die Parameter B₀, B₁, ω, r  sind in gewissen Bereichen frei einstellbar. Die Messung der Auslenkung erfolgt mit einer Winkelcodescheibe (8-bit, Gray-Code), die von einem Micro-Controller letztlich in zwei elektrische Spannungen gewandelt wird, welche zu x bzw. der Winkelgeschwindigkeit ẋ proportional sind und die eine On-Line-Beobachtung von Trajektorien im Phasenraum mit einem Oszilloskop ermöglichen. Die anschaulichen experimentellen Beobachtungen können mit einem Simulationsprogramm nachvollzogen werden, was insbesondere zu einem tieferen Verständnis für die eingeschränkte Vorhersagbarkeit chaotischer Bewegungen beiträgt.

Schematischer Aufbau

Helmholtz-Spule mit Stabmagneten

Kontakt:

PD Dr. Bernd Pompe
Universität Greifswald
Institut für Physik
Felix-Hausdorff-Str. 6
17489 Greifswald

https://physik.uni-greifswald.de/studium/physikalisches-grundpraktikum/

 

Mit einer Wärmebildkamera als Messgerät wird die stationäre Wärmeleitung in Aluminium und Kupfer vermessen. Dazu wird ein Metallstreifen an einem Ende geheizt und hat am anderen Ende eine Wärmesenke. Es wird der Temperaturgradient und die Heizleistung gemessen und daraus die Wärmeleitfähigkeit bestimmt. Es kommen typischerweise um 10% zu hohe Werte heraus wegen der Wärmeverluste.
Im zweiten Teil wird für Edelstahl die instationäre Wärmleitung vermessen. Ein warmer und ein kalten Quader werden mit Wärmeleitpaste an der Stirnseite aneinander gefügt. Nach ca. einer Minute wird eine Aufnahme gemacht. Es ergibt sich ein S-förmiger Temperaturverlauf in den Quadern. Die Äste laufen entsprechend der Fehlerfunktion. Diese wird an den Verlauf gefittet, um die Temperaturleitfähigkeit des Edelstahls zu bestimmen.

Erster Versuchsteil zur Bestimmung des Temperaturgradienten.	Zweiter Versuchsteil zur Bestimmung der instationären Wärmeleitung.

Kontakt:

https://www.physik.hs-mannheim.de/

Kommerzielle Diffusionsnebelkammern sind für die meisten Ausbildungslabore unerschwinglich.
In einer einfachen Bauanleitung wird beschrieben, wie aus preisgünstigen Teilen eine kontinuierliche Nebelkammer für das Praktikum aufgebaut wird. Beim Zusammenbau wird die Funktion von Peltier-Elementen, temperaturabhängige Sättigung und die Wirkung von Kondensationskeimen erklärt.
Neben dem Nachweis natürlicher Strahlung kann die Reichweite von Alpha-Strahlung und die Aktivität von Proben untersucht werden. Anhand der charakteristischen Nebelspuren sind Rückschlüsse auf die Energie, Masse, Ladung und Herkunft der Teilchen möglich.
Ein faszinierender Einblick in die unsichtbare Welt der schnellen Teilchen.

Versuchsaufbau zur Diffusionsnebelkammer.

Kontakt:
BTU Cottbus-Senftenberg
Fakultät 3, FG Experimentalphysik
Universitätsplatz 1
01968 Senftenberg
www.b-tu.de

Ziel des Versuchs ist es, das Verständnis von Interferenzphänomenen durch aktives praktisches Arbeiten mit dem Modell zu vertiefen.
Ausgehend von Youngs‘ Versuch wird die Beugung und Interferenz am Doppelspalt modelliert. Durch das korrekte Positionieren und Bewegen von 3D-gedruckten zusammensteckbaren Wellenstücken auf einer Posterunterlage wird der Vorgang „simuliert“. Die Unterlage stellt eine Draufsicht des Versuchs nach: ein skizzierter Doppelspalt, sowie in einigem Abstand einen Schirm.
Indem man die „Wellenstränge“ aus beiden Spalten auf dem Schirm zusammentreffen lässt, kann man voraussagen ob am jeweiligen Punkt konstruktive oder destruktive Interferenz auftreten wird. Durch seitliches hin- und her verschieben des Punktes kann man den Schirm „abtasten“ und das Muster voraussagen. Wird sowohl rotes und als auch grünes Licht simuliert, so kann man beobachten, dass unterschiedliche Wellenlängen zu unterschiedlichen Maxima führen. Die Lage der Maxima und Minima wird durch Marker hinter dem Schirm festgehalten. Die Beobachtung, dass die Maxima von rotem Licht weiter auseinander liegen, kann parallel experimentell überprüft werden: Modell (3D Wellen und Poster) und Experiment (Laserlicht auf Doppelspalt) ergänzen sich Seite an Seite.
Von dieser Erkenntnis ausgehend, können - durch Zählen des Gangunterschieds in Wellenlängen - die Bedingungen für Interferenz erarbeitet werden:
konstruktive Interferenz findet an Orten statt bei denen der Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge beträgt, für destruktive Interferenz sind es ungerade Vielfache der halben Wellenlänge.
Die Ergebnisse sind durch Verringern des Spaltabstands leicht auf das Gitter übertragbar und die Gittergleichung kann darauf aufbauend leicht erarbeitet werden.
Die Vorteile des Modellversuchs sind aktives Herleiten der zugrundeliegenden Mechanismen, parallele Benützung von Experiment und Modell sowie die Unmittelbarkeit.

Im Versuch verwendete 3D Modelle einer Welle zur Veranschaulichung des Wegunterschieds.

Die zum Ausdruck benötigten Dateien sind auf der Homepage des Scienteen Labs verlinkt und können im Rahmen der Creative-Commons-Lizenz frei verwendet werden.

Kontakt:
Universität Luxemburg
Schülerlabor Scienteens Labs
119 Avenue de la Faiencerie
1511 Luxemburg
www.scienteenslab.uni.lu

Im Technik- und Physikunterricht ist es reizvoll technische Geräte quantitativ zu untersuchen. Das Angebot im Lehrmittelhandel ist begrenzt, es gibt viele Bastelversionen, die aber meist zu wenig quantitative Messungen erlauben. Ziel der Entwicklungen war technisch robuste Geräte zu entwickeln, die für das Schülerpraktikum geeignet sind. Dabei sollte das wesentliche Bauteil von den Schülern/innen selbst gebaut werden können und das Ergebnis quantitativ gesteht werden können. Wasserturbine und Windrad bieten zahlreiche Möglichkeiten
der qualitativen Demonstration und der quantitativen Messung. Die Messwerte müssen leicht zugänglich sein und mit schulüblichen Messgeräten durchführbar sein .Um die Geräte in einem Mittelstufenpraktikum im Technik- und Physikunterricht langfristig nutzen zu können, müssen diese mit wenig Aufwand bereitgestellt werden können und müssen robust sein. Die verbrauchten Materialien müssen preiswert und unbedenklich sein. Eine Fahrradnabe als zentrales Bauteil erfüllt diese Anforderungen optimal, die zusätzlich notwendigen Anfertigungen müssen leicht zugänglich sein. Die Apparaturen sollten eine Differenzierung nach Alter und Kenntnissen erlauben.

Aufbau der Wasserturbine.	Aufbau des Windrads.

Kontakt:

https://kepler-seminar.de/

In der Schule wird der Laser meist nur als geeignete Lichtquelle verwendet, die einfarbig, gebündelt und kohärent ist. Allerdings erleben ihn die Schüler:innen dabei stets nur als Black Box, die nicht näher erklärt wird. Der Grund dafür ist, dass der Standard-Laser, der Helium-Neon-Laser, in der Schule nur schwer zu erklären ist, da man zu seiner Beschreibung vier Energieniveaus, metastabile Niveaus, Gasröhren, Stoßprozesse, stehende Wellen, halbdurchlässige Spiegel etc. behandeln muss. Es ist praktisch unmöglich, den Helium-Neon-Laser zu verstehen, ohne zuvor einiges über Atom- und Quantenphysik gelernt zu haben. Dabei muss allerdings viel trockenes Vorratswissen angehäuft werden – ein nicht sehr motivierendes Verfahren.

Dieses Problem löst ein besonderer Laser, den ich gebaut habe: der Stickstoff-Laser. Er ist übersichtlich aufgebaut und benutzt den Stickstoff in der Umgebungsluft. Er benötigt zur Erklärung nur zwei Energieniveaus und kommt ohne Spiegel, Gasröhren und stehende Wellen aus. Die Schüler können seine Funktionsweise daher auch verstehen, ohne vorher Atom- und Quantenphysik gelernt zu haben. Außerdem fasziniert er den Betrachter durch die Einfachheit der verwendeten Bauteile wie Münzen, Schrauben und Alufolie.

Der Stickstoff-Laser ist ein Molekülgas-Laser der Laserklasse 1M, der im Pulsbetrieb (<40 ns) ultraviolettes Laserlicht (337,1 nm; UV-A) mit einer Leistung von ca. 0,1 mW erzeugt. Der von mir gebaute Laser geht im wesentlichen auf Ideen von H. Lewinski und S. Eick zurück. Um die Laserplatten nicht bei jedem Aufbau neu justieren zu müssen, wurdenbnach auf die Aluminiumplatten Winkel geschraubt, die mit Kunststoffschrauben und Federnbverbunden sind und die durch Kunststoffmuttern fixiert werden können. Insgesamt ist sovein Versuchsaufbau entstanden, der – einmal justiert – schnell aufzubauen ist und zuverlässig funktioniert. Neben Schulen setzen mittlerweile auch manche Universitäten und Science-Center diesen Versuchsaufbau ein.

 

Kontakt

Florian Karsten
Seminar für Ausbildung und Fortbildung der Lehrkräfte Stuttgart (Gymnasium)
Hospitalstraße 22-24
70174 Stuttgart

www.seminar-stuttgart.de

 

Der Quantenoptik-Schulversuch ist als Grundversuch zum besseren Verständnis der
Funktionsweise eines Lasers – oder genauer zur Erzeugung der für einen Laserbetrieb
notwendigen Besetzungsinversion - gedacht, da nach 61 Jahren Laser dieser inzwischen
zwar in allen Lebensbereichen Verwendung findet, aber von den Wenigsten in seiner
Funktionsweise richtig verstanden und im Schulunterricht nur äußerst eingeschränkt
behandelt wird. Obwohl bereits mehrfach einfache Rechenaufgaben zum Laser im Abitur
vorkamen, gibt es zum Laser bisher keine geeigneten Experimente im Physikunterricht. Im
Versuch wird das An- und Abklingen der Fluoreszenz des metastabilen Laserniveaus bei
unterschiedlichen Anregungsbedingungen untersucht und mit dem Schuloszilloskop
vermessen und darüber hinaus wird mittels eines einfachen Gitterspektrometers das - gut
vereinfacht darstellbare - Energieniveauschema des Rubins ermittelt. Gleichzeitig wird
gezeigt, dass z.B. Farbstofflumineszenz viel, viel schneller ist und daher ihr An- und
Abklingen unter den im Experiment verwendeten Bedingungen quasi instantan der
Anregung folgt.

Dieses Experiment verknüpft viele der im Lehrplan sonst einzeln „verorteten“ Themen, wie
z.B. die quantenhafte Absorption und Emission, spontane Emission, Fluoreszenz,
Strahlen- und Wellenoptik, optische Abbildungen, Beugung und Interferenz am Gitter,
Spektren und Farbfilter, Farbzerlegung und Farbmischung, Exponentialfunktion und
Halbwertszeit. Die notwendige Mathematik beschränkt sich auf die des Auf- und Entladen
eines Kondensators. Der Versuch wurde im Unterricht in der Oberschule Findorff in
Bremen inzwischen erfolgreich mit Schülern der 12. Jahrgangsstufe erprobt und dessen
weitere Evaluierung wird von der WE-Heraeus Stiftung gefördert.

 

Versuchsaufbau von oben mit verschiedenen Farbfiltern und optischen Gittern.

Kontakt

Ilja Rückmann, Robert Arndt
Bardowickstr. 156
28329 Bremen

https://lehrmittel-musterbau.de

Heute bieten sich mit sogenannten „Laserpointern“, mit einer Emissionswellenlänge von 532 nm, interessante Möglichkeiten, bestimmte Übergänge im Jodmolekül effizient zu anzuregen. In diesem Beitrag berichten wir über einen neuen Praktikumsversuch, in dem Jodmoleküle in einer Glaszelle mit einem „Laserpointer“ angeregt werden und das erzeugte Fluoreszenzspektrum mit einem einfachen Spektrometer aufgenommen wird. Die Vibrationsquantenzahlen des Grundzustandes werden durch einfaches Abzählen der
Spektrallinien ermittelt.

Der Versuch wird anschließend durch einen optischen Ringresonator erweitert und Laseroszillation auf 15 verschiedenen Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich von gelb bis tiefrot beobachtet. Die kohärente Kopplung des Pumplaserfeldes mit dem Jodmolekül Laserfeld führt dabei im Ringresonator zum spontanen Einrichtungsbetrieb des Jodmolekül Lasers (Raman Laser).

Der Versuchsaufbau ist geeignet die Einfachheit der Demonstration und Messung quantenoptischer Phänomene zu zeigen.
Der Praktikumsversuch wurde 2022 mit dem Lehrpreis der DPG von der AGPP ausgezeichnet. Der Praktikumsversuch basiert auf den Arbeiten von W. Luhs und B. Wellegehausen, veröffentlicht in Appl. Phys. B (2017) 123:125 „CW molecular iodine laser pumped with a low power DPSSL“.

Aufbau des Jodlasers.

 

Kontakt:

URL des Versuchs:

https://luhs.de/assets/um-le13-v2022.pdf

E-Mailadresse der Abteilung:

Das schlagende Herz ist eine pulsierende elektrische Spannungsquelle, die Position und Spannung im Laufe eines Herzzyklus ständig wechselt und diesen Wechsel periodisch wiederholt. Jeder Kontraktion des Herzmuskels geht eine elektrische Erregung voraus. Über das herzeigene elektrische Leitungssystem aus spezialisierten Herzmuskelzellen läuft diese dann zu den übrigen Teilen des Herzens. Diese elektrischen Spannungsänderungen
am Herzen kann man an der Körperoberfläche messen und deren zeitlichen Verlauf aufzeichnen.

Es ergibt sich ein immer wiederkehrendes Bild der elektrischen Herzaktion, das sogenannte Elektrokardiogramm, kurz EKG genannt. Die Maximalwerte der Spannungen, die sich auf der Körperoberfläche messen lassen, liegen bei wenigen Millivolt und müssen folglich verstärkt werden. Um das EKG-Signal gut zu rekonstruieren, müssen zudem gewisse Störeinflüsse unterdrückt werden, die wesentlich größer als das Nutzsignal sind. Der Verstärker sollte die Spannung etwa 1000-fach verstärken und zusätzlich eine Frequenzfilterung zur Unterdrückung der Störgrößen realisieren. Für die elektrische Sicherheit der Versuchsperson ist unbedingt eine galvanische Trennung des Vorverstärkers von den Registriergeräten zu gewährleisten. Ein Störeinfluss ist das Netzbrummen, das durch die elektrischen 50 Hz-Wechselfelder der umliegenden Geräte entsteht. An den Elektroden auf der Haut treten dabei Wechselspannungen auf, die sich  gut durch einen Differenzverstärker mit nachfolgendem Tiefpass kompensieren lassen. Die Spannungsquelle „Körper“ hat einen sehr hohen Innenwiderstand und einen hohen
Übergangswiderstand zwischen Körperoberfläche und Elektroden, deshalb muss der Vorverstärker einen hohen Eingangswiderstand besitzen. Außerdem entsteht durch den hohen Übergangswiderstand eine Kontaktspannung (Gleichspannung bis mehrere 100 mV), die mit Hilfe eines Hochpasses beseitigt werden muss. Die Auswertung der Messdaten wird mit MATLAB durchgeführt. Die vollständige Anleitung ist im Internet frei verfügbar.

Kontakt:
Dr. Martin Fränzl & Dr. Thomas Franke
TU Chemnitz, Fakultät für Naturwissenschaften,
Institut für Physik, Fortgeschrittenenpraktikum
Reichenhainer Straße 70
09126 Chemnitz

Kontaktemailadresse:

URL des Versuchs:

https://www.tu-chemnitz.de/physik/FPRAK/FPI/Versuche_alt/V26.pdf

E-Mailadresse der Abteilung:

Hypothesen und Modellexperimente zu den mikroskopischen Ursachen des Drucks bei einem idealen Gas weisen auf Stöße der Gaspartikel gegen die Gefäßwand hin. Dabei führt die Partikeldichte im Druckbehälter zur Flächendichte der Treffer gegen die Wand und die Geschwindigkeit bestimmt die Bewegungsenergie. Die  relevanten Zustandsgrößen sind Druck, Temperatur und Partikeldichte. Die Temperaturabhängigkeit des Drucks bei konstantem Volumen nach Amontons bestätigt eine der Aussagen, nämlich die Abhängigkeit des Drucks von der Bewegungsenergie. Das fehlende Experiment zur Abhängigkeit des Drucks von der Partikeldichte (bzw. der Dichte) ist einfach realisierbar und wird hier vorgestellt:

Die Abbildung zeigt den Aufbau: eine Fahrradluftpumpe mit Manometer für den Überdruck und eine Fahrradtrinkflasche als Druckbehälter. Der Verschluss besteht aus einer Verschlusskappe aus dem Baumarkt-Sanitärbereich, in die ein Ventil eines Autoreifens eingelötet wurde. Die eingepumpte Luft bewirkt sowohl eine Druckerhöhung als auch eine Massenzunahme, die mit Manometer und Briefwaage gemessen werden. Hier muss auf den Temperaturausgleich geachtet werden. Da bei der Trennung der Pumpe vom Druckbehälter immer etwas Luft entweicht, hat die Masse bei der anschließenden Wägung und folglich auch die Dichte in Gramm pro Liter einen etwas zu kleinen Wert. Die Auftragung Druck versus Dichte gestattet die Herleitung der gesuchten Abhängigkeit und bestätigt die zweite Modellaussage. Damit ergibt sich das »alternative« Gasgesetz für die Proportionalität von Druck und Dichte bei konstanter Temperatur. Neben dem Nullpunkt gewinnt man hier auch den Wert für die Luftdichte. Aus beiden Gasgesetzen folgt unmittelbar die ideale Gasgleichung.

Abbildung 1: Komponenten des Experiments.

 

Kontakt:
Dr. Kurt Salewski
Pommernstr. 7
57299, Burbach

Kontaktemailadresse:

E-Mailadresse der Abteilung: